專利名稱：包含液體燃料的催化燃燒的加熱設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種利用催化燃燒的加熱設(shè)備，更具體而言，本 發(fā)明涉及用于液體燃料的這一類加熱設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種具有根 據(jù)本發(fā)明的加熱設(shè)備的爐子。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的氣相燃燒相比而言，催化燃燒總體具有許多優(yōu)點。最明 顯的優(yōu)點是非常低的排放量、高安全性(通常不存在火焰并且對于氣 相燃燒而言，氣體混合物過于稀薄)、可控性、對于快速的壓力/流量 波動的不敏感性、寬功率范圍以及無聲運(yùn)行。典型的缺點在于，需要 完全的燃料蒸發(fā)以及均勻的空氣/燃料混合以便消除催化劑熱降解的 風(fēng)險。由于燃料蒸發(fā)的需要，氣體燃料燃燒比液體燃料燃燒呈現(xiàn)出更 少的難題，因此商業(yè)應(yīng)用不斷增加。然而，對于液體燃燒的催化燃燒 而言，由于在實現(xiàn)烴類燃料的充分高效蒸發(fā)以及重質(zhì)烴類殘留物不累 積方面還有困難，因此仍只有(如果有的話)較少的商業(yè)應(yīng)用。另一 典型缺點是，在起動時將催化材料加熱所需的(電)能量和時間。該 具體的缺點至今使催化燃燒器不能用于其中快速起動是至關(guān)重要的應(yīng) 用中。根據(jù)燃燒器的運(yùn)行情況，即，運(yùn)行周期內(nèi)燃燒器被起動的頻率， 在起動時使用火焰加熱導(dǎo)致排放量增加。而且，由于火焰預(yù)加熱器需 要燃料霧化設(shè)備和獨立的點燃裝置，火焰預(yù)加熱器使系統(tǒng)變得復(fù)雜。 因此，對于催化燃燒器，必要的是有一快速且低排放量的起動原理， 同時消耗最少的電能。現(xiàn)有技術(shù)電起動設(shè)備的缺點在于，消耗許多電 能并需要長的加熱時間。這將延遲催化劑的點燃，從而導(dǎo)致排放大量 未燃烴和一氧化碳。
JP 61-134 515描述了一種以旋渦氣流噴射液體燃料噴霧的催化 燃燒器。噴射燃料所需的燃料泵提供了相對高的壓力，這從動力消耗 的角度看是高成本的。用于產(chǎn)生高壓所需的泵也增加了裝配單元的成 本。而且，需要在熱交換機(jī)中將進(jìn)入空氣預(yù)加熱，以獲得燃料的完全蒸發(fā)，這進(jìn)一步增加了裝配單元的復(fù)雜性和成本。US 5 685 156描述 了 一種用于例如燃?xì)廨啓C(jī)的催化燃燒器。該燃燒器也要求相當(dāng)大的功 率來為燃料泵提供能量，并且也要求相對高成本的泵解決方案。
DE 100 14 092描述了一種具有燃料的預(yù)蒸發(fā)的催化燃燒器，在 燃料蒸發(fā)之后，燃料與預(yù)加熱的空氣相混合，隨后燃料/空氣混合物將 通過催化元件并燃燒。根據(jù)DE 100 14 092的燃燒器要求具有高純度 和窄沸程的燃料，否則將發(fā)生燃料的焦化和/或蒸餾。
US 2005/0235654描述了一種催化燃燒器，其中通過將蒸發(fā)器底 部上的氈狀材料浸濕來將所述燃料蒸發(fā)。該解決方案具有與DE 100 14 092的燃燒器相同的問題。
蒸發(fā)液體燃料所存在的問題源于以下事實根據(jù)與催化燃燒過程 的寬功率范圍和卓越可控性相匹配的燃燒器運(yùn)行條件，蒸發(fā)器溫度必 須是可控的，并且必須防止重質(zhì)烴類殘留物積聚以避免焦化。而且， 蒸發(fā)器必須在起動過程中短時間內(nèi)達(dá)到 一合適溫度，以獲得快速且高 效的起動過程，以此提高性能并最小化冷起動排放量。最后，這必須 以電能的最小消耗來完成。

發(fā)明內(nèi)容
為了減輕、緩解或者消除上述問題中的至少一部分， 一個或多個， 本發(fā)明的目的之一在于，提供一種具有入口管的加熱設(shè)備，該入口管 將空氣和燃料沿切線方向?qū)肴剂险舭l(fā)設(shè)備，使得在所述燃料蒸發(fā)設(shè) 備中形成強(qiáng)的旋渦。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的和方面，由從屬權(quán)利要求進(jìn)行說明。


從下面參照附圖對本發(fā)明的多個實施方案的詳細(xì)描述，本發(fā)明進(jìn) 一步的目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的加熱設(shè)備的剖視圖2~3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施方案的燃料蒸發(fā)設(shè)備的一實施 方案；
圖4和5示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料蒸發(fā)設(shè)備的實施方案的不同變體；
閨6是沿圖5中的線A-A的燃料蒸發(fā)設(shè)備的剖視閨； 圖7示出了在燃料蒸發(fā)器的兩內(nèi)部入口管之間具有軸向位移的一 實施方案；
圖8示出了加熱設(shè)備的軸向和徑向構(gòu)型的組合； 圖9a和9b示出了加熱設(shè)備的純粹的徑向構(gòu)型； 圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的其中燃料蒸發(fā)設(shè)備具有環(huán)形形狀的一 實施方案；
圖11示出了包括轉(zhuǎn)動室(turning chamber )的一實施方案； 圖12示出了其中燃料蒸發(fā)器延伸超過第一催化元件的一實施方 案；以及
圖13示出了不具有用于供給二次空氣的裝置的實施方案。
具體實施例方式
圖1中可看到加熱設(shè)備100的一個實施方案。加熱設(shè)備100包括 外殼110，該外殼大致具有帶有大的朝上開口的截錐形形狀。外殼110 的底部是封閉的，例如，具有光滑彎曲或大致平坦的底壁111,該底 壁將外殼110的下部流體地封閉，形成一底盤。內(nèi)壁120被布置在外 殼110的內(nèi)側(cè)，并且該壁大致具有一截錐形形狀，同時該截錐的大開 口朝上。頂壁115附接至外殼IIO和內(nèi)壁120的上周緣，使得在外殼 110和內(nèi)壁120之間的空間上方形成一流體封緊蓋。該空間在下文中 被#為外部入口室OIC。內(nèi)壁120結(jié)束于距離底壁111的一距離處， 4吏得流體可從外部入口室OIC轉(zhuǎn)移到內(nèi)壁120的內(nèi)部。外殼IIO和內(nèi) 壁120被布置為基本上共軸。
外部入口管112連接至外殼110的上部。外部入口管112被布置 為，將流體流導(dǎo)向為與外殼IIO和內(nèi)壁120相切，并且初始時具有水 平方向。所述流將最終朝向接近于底壁111的出口螺旋向下。在一個 實施方案中，可將翼或翼片布置在外部入口室內(nèi)，以進(jìn)一步幫助將流 導(dǎo)入共軸旋轉(zhuǎn)流中。
燃料蒸發(fā)設(shè)備130,在下文中也被稱為燃料蒸發(fā)器，被基本共軸 地布置在內(nèi)壁120內(nèi)。燃料蒸發(fā)器通常具有帶有圓形截面的圓柱形形狀，并且燃料蒸發(fā)器的上部被上壁131u封閉。燃料蒸發(fā)器的底部部分 是開放的，并且面向外殼110的底壁111。燃料蒸發(fā)器130的上部內(nèi) 的周緣壁表面是主蒸發(fā)區(qū)。燃料蒸發(fā)器130的橫截面不必須是圓形的， 但應(yīng)是基本上軸對稱的。
燃料蒸發(fā)器內(nèi)的總?cè)莘e被稱為內(nèi)部入口室IIC。燃料蒸發(fā)器130 的外表面和內(nèi)壁120的內(nèi)表面之間的容積被稱為混合室MC。
內(nèi)部入口管132連接至燃料蒸發(fā)器130的上部。該入口管被配置 為將進(jìn)入的流體導(dǎo)向為與燃料蒸發(fā)器130的周緣壁131p相切，使得產(chǎn) 生強(qiáng)旋渦。內(nèi)部入口管132也包括燃料管133，該燃料管從燃料泵(未 示出)供給燃料。在一實施方案中，燃料供給管可設(shè)有一噴嘴134， 所述噴嘴可以是一個簡單的孔。盡管是低燃料壓力(可僅通過重力供 給燃料)，為了形成小的均勻液滴，噴嘴134可包括直徑大約為噴嘴內(nèi) 徑一半的細(xì)線135，該細(xì)線軸向插入到所述噴嘴中。所述線可以例如 從入口管的噴嘴延伸一相當(dāng)于所述噴嘴內(nèi)徑大約IO倍的距離。所述蒸 發(fā)器的下部中的開口用于將通過內(nèi)部入口管132被注入燃料蒸發(fā)器內(nèi) 的燃料和/或空氣排出。
第一催化元件140被布置為與燃料蒸發(fā)器130緊靠或者直接接觸。 在一個實施方案中，催化元件140圍繞蒸發(fā)器130上端，例如參見圖 12;在另一實施方案中，在距離燃料蒸發(fā)器的上端稍微向下的一位置 處，催化元件140圍繞蒸發(fā)器。電加熱元件141被布置為與第一催化 元件140相接觸或者緊靠。在一個實施方案中，電加熱元件141也與 燃料蒸發(fā)器130相接觸或者緊靠。電加熱元件141被布置為充分加熱 催化元件140直到點燃。電加熱元件141不需要覆蓋住催化劑140的 整個面積，因為熱量將從被加熱區(qū)域擴(kuò)散到整個催化結(jié)構(gòu)。第一催化 元件140被布置為基本覆蓋在燃料蒸發(fā)器130和內(nèi)壁120之間的整個 橫截面，正如可在圖l中看到的，使得基本上在燃料蒸發(fā)器130和內(nèi) 壁120之間流動的所有流體都穿過第一催化元件140。在一個實施方 案中，第一催化元件140被布置為剛好在燃料蒸發(fā)器的上壁131u的上 方，并且該元件從內(nèi)壁120的內(nèi)表面延伸并覆蓋其整個內(nèi)部橫截面。 第一催化元件140接下來被布置為與上壁131u相接觸或者緊靠，例如 參見圖11。在一個實施方案中，催化元件140的支撐由金屬一一諸如，金屬 網(wǎng)或者網(wǎng)格一一制成，但是在其他實施方案中，所述支撐可具有基本 薄且平坦構(gòu)型的類似形狀。在另一實施方案中，所述支撐可由獨石 (monolith)制成。所述獨石或者金屬網(wǎng)或網(wǎng)格被覆蓋以陶瓷罩面層 (ceramic washcoat),所述陶資罩面層是催化活性的或者覆蓋有催化 活性材料。罩面層極大地增加了催化元件的表面積，從而使得可以高 效地分散要沉積到元件140上的催化活性材料。第一催化元件應(yīng)具有 相對小的質(zhì)量，以允許其被快速地預(yù)加熱。罩面層可由任何合適的材 料制成，諸如氧化鋁。
第二催化元件150被布置為剛好在燃料蒸發(fā)器的上壁131u的上 方，并且該元件從內(nèi)壁120的內(nèi)表面延伸并且覆蓋其整個內(nèi)部橫截面。 第二催化元件150被布置為與上壁131u相接觸或者緊靠。內(nèi)壁的向上 擴(kuò)展的錐形形狀表明，第二催化元件150大于第一催化元件140。第
二催化元件iso使得加熱設(shè)備有更高的功率。第三和可能的甚至第四
(或更多的)附加催化元件可被進(jìn)一步布置在加熱設(shè)備的下游，即， 在第一催化元件140和第二催化元件150之上。主燃燒區(qū)形成在加熱 設(shè)備的上部，位于第二催化元件15G (以及任何附加的下游催化元件) 處，但是第一催化元件140在大部分運(yùn)行狀態(tài)下都是活性的。燃料蒸 發(fā)器130可穿過第一催化元件140并且進(jìn)入第二催化元件150的主燃 燒區(qū)。
如果第一催化元件140的支撐由金屬制成，則通過利用所述支撐 的電阻，該支撐可被用作電加熱元件141。通過第一催化元件140的 罩面層和/或陶瓷襯底，電加熱元件141可與第一催化元件140電絕緣。 電加熱元件141也可以是完全電絕緣的電加熱盤管(spiral )，該電加 熱盤管的橫截面在附圖中被示出。
在一個實施方案中，加熱設(shè)備可被提供有大致覆蓋所述加熱設(shè)備 的上部的加熱板170。該板170可被布置在頂壁115之上一微小距離 處，使得在它們之間形成一通道。這形成了用于燃燒氣體的排氣通道。 在一個實施方案中，所述氣體被聚集在一歧管(未示出)內(nèi)，并且被 引導(dǎo)穿過排氣管(未示出)到達(dá)加熱設(shè)備的外部。如果在爐子內(nèi)使用 該加熱設(shè)備，加熱板170會是有用的。接著，可在加熱板170上放置一個壺或者鍋。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案中，板170可以是在紅外線(IR) 波長區(qū)域內(nèi)透明的陶瓷板。在這種實施方案中，從催化元件中發(fā)出的 紅外射線自由穿過陶瓷板，并加熱放置在陶乾板上的壺或者鍋。
在一個實施方案中，加熱板170的底面可被提供有向下突出的小 圓柱(未示出)或者其他裝置，以增強(qiáng)對流傳熱。這些圓柱將阻礙頂 壁115和加熱板170之間向外導(dǎo)向的排氣流，并且從對流中傳遞更多 熱量到加熱板170。
在另一實施方案中，外部入口管112和內(nèi)部入口管132可在外殼 110外部的一位置處相互連接。在該相互連接處的上游提供一風(fēng)扇(未 示出)，以將燃燒空氣供給至加熱設(shè)備。在一個實施方案中，內(nèi)部入口 管132延伸進(jìn)外部入口管112的中心，并且朝向風(fēng)扇的方向成角度。 這形成了對進(jìn)入內(nèi)部入口管的入口空氣的輕微沖擊，該輕孩i沖擊增加 了被導(dǎo)向至燃料蒸發(fā)器130的空氣的動態(tài)壓力。
替代實施方案
在一個實施方案中，內(nèi)壁120在其上部可具有不同于下部的錐角， 正如可在圖1中看到的。這使得可以在主燃燒區(qū)內(nèi)具有大催化元件 150，同時第一起動催化元件140的尺寸可被保持為小的。小的起動催 化元件減少了電能消耗和起動時間，從而減少了一氧化碳和未燃烴類 的排放量，而大的主催化元件增加了主催化元件的輻射面積，這又增 加了加熱設(shè)備的最大功率輸出。任何附加的下游催化元件可基本上與 第二催化元件150 —樣大或者更大。
在另一實施方案中，外殼IIO也可在其上部具有不同錐角。這可 以是有利的，因為外殼110和內(nèi)壁120之間的氣流因而更加靠近地沿 著內(nèi)壁的外表面流動。這增加了從內(nèi)壁120至外部入口室OIC中的氣 流的熱傳遞，在一些應(yīng)用中希望如此。內(nèi)壁120被加熱設(shè)備的內(nèi)部中 的燃燒加熱——主要通過來自第二催化元件150和任何附加的下游催 化元件的輻射。
在入口管區(qū)域處，燃料蒸發(fā)器130在其上部可具有更大橫截面。 這增加了燃料蒸發(fā)器的從周圍的催化元件140、 150接收熱量的面積。這也增加了蒸發(fā)器的質(zhì)量，從而增加了起動時間。為此，蒸發(fā)器可被
熱分區(qū)，這意味著上部與下部熱分區(qū)。這是通過分界線136表明的。 這可通過使用不同材料被增強(qiáng)，諸如在上部使用正常結(jié)構(gòu)鋼，在下部 使用具有較低導(dǎo)熱率的不銹鋼。具有更低導(dǎo)熱率的其它材料也可以是 合適的。在圖1中，燃料蒸發(fā)器的上部被電加熱元件141加熱，并且 熱分區(qū)意味著僅很少的熱量離開燃料蒸發(fā)器的下部。這減少了起動時 被加熱的質(zhì)量，繼而減少了電加熱元件141的功率消耗。
對于蒸發(fā)器的兩部分也可使用相同材料，但是在兩部分之間的分 界線處使用絕熱材料，諸如低導(dǎo)熱性的隔離件或配件。也可通過減少 蒸發(fā)器的不同部分之間接合處的接觸面，來獲得熱分區(qū)。
燃料蒸發(fā)器的上游部分通常是蒸發(fā)區(qū)。如圖1中所示，燃料蒸發(fā) 器的上部的直徑可從下游端階梯形增加，形成水平的底壁131b。該階 梯收集燃料液滴，并增加熱蒸發(fā)區(qū)中的燃料的停留時間，從而提高重 質(zhì)燃料部分的蒸發(fā)。而且，蒸發(fā)器的下游收縮增強(qiáng)了其中的旋渦，并 且也將影響燃料蒸發(fā)器的外側(cè)上的流動。這將使得它更受到來自第一 催化元件140的環(huán)繞熱氣的影響。這些氣體將通過對流傳遞熱至燃料 蒸發(fā)器130,而所有的催化元件140、 150將通過輻射傳熱。燃料蒸發(fā) 器130的更大的上部因此將被輻射以更多熱量。燃料蒸發(fā)器的下部的 更小直徑將導(dǎo)致下部燃料蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的減小的質(zhì)量和表面積，這意味 著更少的熱量從上部傳遞到燃料蒸發(fā)器的下部。也有更少的熱量從燃 料蒸發(fā)器130傳遞到上游氣流。
根據(jù)本發(fā)明的加熱設(shè)備不必須是錐形的。該幾何形狀的主要目的 是確保在燃料蒸發(fā)設(shè)備130的出口處兩種流體的完全混合，以及減少 內(nèi)壁120和燃料蒸發(fā)器130的出口之間的環(huán)形縫隙的橫截面積以防止 逆火(back-fire )的危險。內(nèi)壁120的擴(kuò)展進(jìn)一步導(dǎo)致催化元件140、 150的面積逐漸增加，這使得與小型的第一催化元件140結(jié)合的加熱 設(shè)備具有大的最大功率。正如對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的， 可以通過其他方式實現(xiàn)這些特征。內(nèi)壁120可以替代地被形成為具有 第一和第二過渡的擴(kuò)展部分，具有基本平行的壁的內(nèi)壁于該第一和第 二過渡處連接至所述擴(kuò)展部分。
燃料蒸發(fā)設(shè)備130被示出為具有基本平行的壁，但是這對于實施
10本發(fā)明不是必須的。燃料蒸發(fā)設(shè)備130的壁，也可同樣沿著朝向所述 燃料蒸發(fā)設(shè)備的出口的方向向內(nèi)成一角度(例如，5~30度)。這將對 于燃料蒸發(fā)設(shè)備130內(nèi)側(cè)的流具有一些影響，并且對于其外側(cè)也具有 一些影響。而且，燃料蒸發(fā)設(shè)備130可具有一些直徑不同的帶有基本 平行的壁的部分，如圖1中所示。尤其有利的是，如果加熱設(shè)備具有 垂直構(gòu)型(相對于通過催化元件的流動方向)，形成水平壁131b以允 許在在蒸發(fā)過程中，當(dāng)燃料蒸發(fā)設(shè)備130暫時溫度不足時，燃料可以 被保存。為了在不同直徑的情況下改善蒸發(fā)器內(nèi)側(cè)和外側(cè)的流場，蒸 發(fā)器還可在兩圓柱形部分之間提供一逐漸縮小的部分，例如參見圖12。
本發(fā)明的催化加熱設(shè)備被描述為軸向的(相對于通過催化元件的 流體方向)，但是也可同樣具有徑向構(gòu)型。在該情況中，催化元件140、 150可被布置為同心的，第一催化元件140被放置在中間，參見圖9a 和圖9b。在該情況中，燃料蒸發(fā)設(shè)備130應(yīng)具有位于第一催化元件140 內(nèi)中心的出口，并且也可穿過所述元件和下游元件，正如下面對于軸 向構(gòu)型所描述的，從而將每個催化元件分為兩個部分，如圖9a中所示。
在所描述的徑向構(gòu)型中，通過催化元件的流基本被徑向向外朝向 加熱設(shè)備的周緣導(dǎo)向。然而，如果，加熱設(shè)備被用于加熱例如一圓柱 體的外表面， 一個被導(dǎo)向為基本徑向向內(nèi)朝向燃燒器的中心的流是有 利的。
軸向配置和徑向構(gòu)型之間的混合也是可能的，其中燃料蒸發(fā)設(shè)備 130和第一催化元件140具有類似于第一實施方案中的幾何形狀的基 本軸向構(gòu)型，然而通過下游催化元件的流動方向是基本徑向的，參見 圖8。
燃料蒸發(fā)設(shè)備可穿過(通過)不同數(shù)目的為軸向構(gòu)型和徑向構(gòu)型 的催化元件。在其中所述燃料蒸發(fā)設(shè)備穿過許多催化元件的情況下， 燃料蒸發(fā)設(shè)備的質(zhì)量增加。這將導(dǎo)致更高的熱質(zhì)量，從而增加在起動 過程中的電能消耗。通過以下方法可部分克服該問題通過兩條或更 多條分界線136、 136',將燃料蒸發(fā)設(shè)備熱分為兩個或更多個區(qū)，從 而將電加熱的部分限制在直接相鄰于電加熱元件141的區(qū)，由此減少 要被電加熱的熱質(zhì)量，減少在起動時的電消耗，并且縮短加熱時間。
在一些實施方案中，燃料蒸發(fā)設(shè)備130被示出為帶有一個切向入口。然而，為了增強(qiáng)旋渦和/或使流場更加對稱，在一些情況中不止一 個入口可以是有利的，只要入口中的切向流動速度足以形成用于下
面一~"例如圖4~7和圖8——所提及的高效蒸發(fā)的條件。
為了提高加熱設(shè)備的負(fù)荷變化潛力，將進(jìn)入燃料蒸發(fā)設(shè)備130之 前的空氣預(yù)加熱可以是有利的。為了避免燃料在燃料注入管中焦化的 風(fēng)險，可以僅稍微預(yù)加熱。當(dāng)具有不止一個切向內(nèi)部入口管時，為了 徹底避免該風(fēng)險， 一個或多個入口管132b可被配置為不具有燃料供給 管，從而被專門用于將預(yù)加熱的空氣注入到燃料蒸發(fā)設(shè)備中，參見圖 8。該空氣流可接下來被預(yù)加熱至更高溫度，例如200 ~ 500匸，使流 過燃料蒸發(fā)設(shè)備130的總氣流溫度極大升高。
實現(xiàn)該效果的另一種方法是，通過讓所述設(shè)備進(jìn)一步穿進(jìn)燃燒區(qū)， 例如穿過更多的催化元件，以增加至燃料蒸發(fā)設(shè)備130的熱傳遞。在 該情況中，燃料注入管的入口可接近于燃燒器的出口放置。
通常，如果使用多個入口，參見圖4~7,則可將它們定位在沿燃 料蒸發(fā)設(shè)備的不同軸向位置，參見圖7。
又一種實現(xiàn)相應(yīng)于將導(dǎo)向燃料蒸發(fā)設(shè)備130的空氣預(yù)加熱的效應(yīng) 的方法是，將熱燃燒氣體流導(dǎo)入(環(huán)流)穿過所述燃料蒸發(fā)設(shè)備。這 可通過以下方式實現(xiàn)在燃料蒸發(fā)設(shè)備130的上壁131u開一個開口/ 多個開口，其中使用由所述設(shè)備130內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度分量形成的壓力梯 度來驅(qū)動該流。該壓力梯度在燃料蒸發(fā)器的中心部分形成較低壓力。
一旦燃料注入點(當(dāng)加熱設(shè)備運(yùn)行時使用的蒸發(fā)表面)和燃料蒸 發(fā)設(shè)備130的被電加熱的部分之間的距離變得相當(dāng)大時，除非燃燒器 被垂直安裝，可以有利的是，將燃燒器安裝為稍微傾斜，使得在起動 時被注入的燃料通過重力并且也通過氣流，被傳送至初始加熱的部分。
在空氣流的預(yù)加熱不太重要或者可根據(jù)上述實施方案實現(xiàn)的應(yīng)用 中，外部空氣流以及相關(guān)的外殼110和內(nèi)壁120之間的相應(yīng)環(huán)形空氣 通道可以去除，從而降低構(gòu)造的復(fù)雜性。所有的氣流因此將替代地通 過內(nèi)部入口管132被供給。在該情況中，內(nèi)壁120不是必須的，因為 沒有外部入口流體將進(jìn)入加熱設(shè)備100，參見例如圖13。
下面，將參照圖10~13描述根據(jù)本發(fā)明的再一些實施方案。
在圖1中，示出了一個其中使用環(huán)形蒸發(fā)器200替代圖1~9和圖11~13中示出的蒸發(fā)器130的實施方案。在圖10的實施方案中，燃 料和空氣沿切線方向進(jìn)入環(huán)形蒸發(fā)器200,這使得燃料和空氣流產(chǎn)生 了旋渦，并且蒸發(fā)區(qū)位于環(huán)形外壁表面210'的最上面部分。旋渦流 向下傳播，由環(huán)形外壁210和環(huán)形內(nèi)壁220限定界限。所述內(nèi)壁可具 有平截頭體(frustum)形狀(如圖10中所示)，但是其也可由一圓筒 形的材料塊制成。所述內(nèi)壁止于距外壁210的底部部分230 —定距離 處，這留出了一通路，該通路用于燃料和空氣流向內(nèi)移動，從而進(jìn)入 由內(nèi)壁220限界的內(nèi)部空間。旋渦流的向內(nèi)運(yùn)動將增強(qiáng)所述旋渦，從 而相當(dāng)大地增加燃料和空氣的混合。
在底部部分230的附近，開口 240可被提供，用于使二次空氣能 夠進(jìn)入燃料和空氣的旋渦流。開口 230的設(shè)計可以是這樣的，使得二 次空氣流推進(jìn)旋渦運(yùn)動，或者可被布置為使得二次空氣流沿著徑向方 向進(jìn)入底部部分。應(yīng)注意的是，圖10的實施方案也可不具有二次空氣 流而同樣被實施，如上述參照圖13所描述的。而且，蒸發(fā)器200可根 據(jù)其他實施方案被熱分區(qū)。
如可被理解的，燃料和空氣流將沿向上方向繼續(xù)，被內(nèi)壁220封 閉；最終，所述流將接觸到催化元件250、 260和270,在這些催化元 件中將發(fā)生燃燒。當(dāng)然，催化元件的數(shù)目可以改變，從僅一個元件250 到任意數(shù)目，例如，3個、5個或者10個元件。
而且，根據(jù)圖IO所示的實施方案的設(shè)備被提供有電加熱元件以及 如之前參照圖1~9所述的其他特征。
圖11示出了類似于圖1的實施方案的一個實施方案，然而區(qū)別在 于，二次空氣是通過開口 340供給的。開口 340將二次空氣送入"轉(zhuǎn) 動室(turning chamber)" 350,該轉(zhuǎn)動室是一個被內(nèi)壁120限定界限 的容積，并且在蒸發(fā)器130的出口附近，其具有大于內(nèi)壁直徑的更大 直徑。
而且，在一些實施方案中(參見圖13)，不供給二次空氣。未供 給二次空氣的實施方案，可與根據(jù)圖1~9、 11~13的蒸發(fā)器設(shè)計以及 圖10的環(huán)形蒸發(fā)器設(shè)計一起使用。
加熱設(shè)備的運(yùn)行使用圖1中的虛線箭頭，示出了燃料蒸發(fā)器內(nèi)的外部空氣流和/或 空氣/燃料流。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行中，風(fēng)扇將空氣從大氣供給進(jìn)加熱設(shè)備
100的入口112、 132中?？諝饬鞯牡谝徊糠直谎厍芯€導(dǎo)向在外殼110 和內(nèi)壁120之間，形成環(huán)形旋渦流場，其中空氣流的所述部分被內(nèi)壁 120處的對流預(yù)加熱。內(nèi)壁120的熱量源自催化元件140、 150中的催 化燃燒。在進(jìn)入外部入口室OIC之前，入口流也可首先進(jìn)入環(huán)形通道 116。對于外部入口室OIC、混合室MC和燃燒區(qū)中的流，僅示出了軸 向流分量，但是該流也可具有未示出的切向分量。通過內(nèi)部入口管132， 氣流的第二部分被沿切線導(dǎo)入燃料蒸發(fā)器130的上部。切向氣流產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)的速度場，即旋渦。以被切向氣流加速和攜帶進(jìn)入旋轉(zhuǎn)速度場的 液滴的狀態(tài)，液體燃料從燃料管133的噴嘴134注入。液體燃料通過 低壓泵或者重力從位于切線導(dǎo)向的氣流中心的燃料噴嘴134注入。通 過圍繞燃料供給管133的切向流中的速度將所述液滴加速，并且通過 燃料蒸發(fā)器130內(nèi)產(chǎn)生的流場中的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度分量將所述液滴進(jìn)一步 加速。所描述的燃料蒸發(fā)器130內(nèi)的速度場，在燃料蒸發(fā)器130的被 加熱的周緣壁131p處形成了卓越的熱傳遞和質(zhì)量傳遞特性，在所述被 加熱的周緣壁131p處，燃料液滴碰撞和撞擊所述壁。所述液滴被充分 涂抹形成一個薄的燃料薄膜。而且，薄的邊界層和相應(yīng)高效的質(zhì)量傳 遞在表面處形成低燃料蒸發(fā)壓力，導(dǎo)致高效蒸發(fā)并幫助防止重質(zhì)烴類 殘留物的積聚(焦化)。同時，氣流被高效加熱。所述薄的邊界層/高 效質(zhì)量傳遞進(jìn)一步能夠使大量氧氣穿透進(jìn)周緣壁131p，這在提高的表 面溫度下能夠?qū)⒖赡艿臒N類殘留物表面氧化。在這些條件下，由于所 述壁上的高氣體速度，消除了在周緣壁131p處氣相自燃的危險。通過 上述組合特征形成的蒸發(fā)條件，使燃燒器具有顯著的多燃料能力和使 用更重質(zhì)烴類燃料的可能性。渦流比(切向速度分量除以軸向速度分 量)可以在5~15的范圍內(nèi)，并且在一實施方案中可以是8~12，在 另一實施方案中可以是大約10。
燃料蒸發(fā)設(shè)備130被第一催化元件140中的燃燒加熱，在起動時 被電加熱元件141加熱。在起動過程及過渡至穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的過程中， 燃料蒸發(fā)設(shè)備130被催化元件150中的燃燒加熱，逐漸加熱至一程度。
在燃料蒸發(fā)器130中的切向燃料和空氣入口之后，燃料和空氣混合物朝向燃料蒸發(fā)器130的開口端向下游流動。這里，旋轉(zhuǎn)的空氣和 燃料混合物徑向向外并且向下游地流出燃料蒸發(fā)器130的內(nèi)部入口室
nc，以與從外部入口室oic供給的外部流相混合。
該外部氣流，其可被沿切線導(dǎo)向在外殼110和內(nèi)壁120之間，接
下來形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)流場，其中通過內(nèi)殼的壁處的對流將氣流的所述部 分預(yù)加熱。
上述流動模式能夠使兩種流非常高效地混合，并且將形成均質(zhì)混 合物所需的混合長度減少到最小值。而且，在蒸發(fā)器內(nèi)表面溫度暫時 過高的情況下，所述流動模式能夠高效地收集由于薄膜沸騰而意外"跳
出"蒸發(fā)器的液滴。在圖11~13的實施方案中，進(jìn)一步增加了所述收 集功能。
所述兩種流在燃料蒸發(fā)設(shè)備130的外部被混合，并且在燃料蒸發(fā) 設(shè)備130和內(nèi)壁120之間的環(huán)形空間中作為一環(huán)形旋渦流，朝向第一 催化元件140繼續(xù)向下游(圖1中向上)。所述混合通過流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動被增強(qiáng)(以及通過小規(guī)模湍流被增強(qiáng)，所述小規(guī)模湍流產(chǎn)生在燃料 蒸發(fā)設(shè)備130的邊緣處)。該流的來自于外部入口室OIC中的環(huán)形外部 部分，主要被內(nèi)壁120處的對流稍微預(yù)加熱。然而，可以有利的是， 可在與來自內(nèi)部入口室IIC的中心流混合之前，將該流體進(jìn)一步預(yù)加 熱。
燃料蒸發(fā)器130的直徑或橫截面積可以是基本恒定的，如圖1中 所示，或者沿燃料蒸發(fā)器130的下游方向減少。
燃料和空氣混合物在第一催化元件140中被至少部分燃燒，取決 于加熱設(shè)備100的運(yùn)行狀況，附加的燃燒可發(fā)生在下游催化元件中。
在一個實施方案中，以被重力和空氣流朝向燃料蒸發(fā)設(shè)備130的 周緣壁攜帶的液滴的狀態(tài)，燃料通過燃料噴嘴134供給。簡單的滴落 燃料噴嘴134或注入器制造成本低。不需要燃料泵，從而進(jìn)一步降低 了裝配單元的成本。
由液體燃料的間歇滴落所能導(dǎo)致的空氣/燃料比的暫時波動將是 可忽略的，因為燃料蒸發(fā)設(shè)備130入口處的速度場和細(xì)燃料供給管133 確保了小的液滴體積、每個液滴的蒸發(fā)時間；以及歸因于由燃料蒸發(fā) 設(shè)備130和催化元件140之間的混合容積所提供的停留時間，以及附加地，由于在燃料蒸發(fā)設(shè)備130出口處的大規(guī)模湍流和小規(guī)模湍流之 間的劇烈混合。小波動對燃燒的影響很小，因為催化劑通常具有記憶 效應(yīng)，即，熱慣性和儲氧能力，從而與普通火焰相反，其更依賴于當(dāng) 時的平均空氣/燃料比。
加熱設(shè)備IOO設(shè)計有安全措施，以防止發(fā)生逆火。如果發(fā)生在催 化元件140、150中的一個內(nèi)的燃燒朝向燃料蒸發(fā)設(shè)備130向上游進(jìn)行， 則導(dǎo)致逆火。這通過多種方式防止，這些方式在下面被描述。第一安 全特征是由混合室MC的上游部分中的環(huán)形縫隙的尺寸引入的，使得在 催化元件上游的流速度大于當(dāng)前的火焰速度?；鹧嫠俣扔绕涫怯蓪恿?火焰速度、空氣/燃料比和湍流給定，并且這可對于多種不同的運(yùn)行條 件進(jìn)行確定。另一安全特征來自于以下事實，對于將被熄滅的火焰而 言，催化元件的單元密度/網(wǎng)格數(shù)目足夠高，即，它們的孔的尺寸足夠 小。這意味著，催化起燃的火焰不能通過催化元件140、 150向上游傳 播，從而充當(dāng)了阻火器。而且，惰性網(wǎng)格280 (例如參見圖10)可被 布置在第一催化元件250的上游。該惰性網(wǎng)格將作為阻火器。類似的 網(wǎng)格當(dāng)然也可被應(yīng)用于圖1~9和圖11~13中所示的實施方案。
在起動和低功率過程中，燃料蒸發(fā)設(shè)備130被發(fā)生在第一催化元 件140中的燃燒加熱，并且受到另外的催化元件150的較低程度的加 熱。應(yīng)將燃料蒸發(fā)設(shè)備130的溫度保持在合適的水平，并且這是通過 利用催化燃燒的具體特征以不同方式實現(xiàn)的。
在第一種情況下，使用催化燃燒的空氣/燃料比的寬范圍。如果通 過燃燒器增加空氣流而不增加燃料流，由于增加的質(zhì)量流和減少的空 氣/燃料比，這將導(dǎo)致第一催化元件140和蒸發(fā)器130的冷卻。如果空 氣流改為減少，同時保持燃料流基本恒定，則增加了溫度，從而能夠 控制溫度而不改變加熱設(shè)備的功率輸出。對于火焰這是不可能的，因 為這將導(dǎo)致不穩(wěn)定性并最終在稀薄狀態(tài)下使火焰熄滅。在第二種情況 下，也可通過增加總體流速一一即，燃燒器的功率，而不改變空氣/ 燃料比而減少溫度。這將導(dǎo)致第一催化元件140處的不完全燃燒，以 及接下來在第二催化元件150以及可選擇的第三或更多的催化元件處 的燃燒。未燃燒的燃料和空氣因而將不向燃料蒸發(fā)設(shè)備130傳熱。該 特征對于普通火焰是得不到的，因為這將導(dǎo)致熄滅。溫度的增加將由減少的質(zhì)量流引起，該質(zhì)量流導(dǎo)致更完全的燃燒(參見下面的進(jìn)一步 說明)。通過根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)選擇這些技術(shù)中的任一個，對于每一個導(dǎo)致
任意燃料高效蒸發(fā)的運(yùn)行條件，燃料蒸發(fā)設(shè)備130的溫度可被控制到 一個合適水平。在低負(fù)荷時，燃燒的反應(yīng)區(qū)主要位于第一催化元件140 中。這增加了燃料蒸發(fā)設(shè)備130的溫度，這能夠蒸發(fā)在所述燃料蒸發(fā) 設(shè)備130中可能累積的烴類殘留物。在高負(fù)荷時，增加氣流并且提高 反應(yīng)物到催化元件140表面的質(zhì)量傳遞。如果到達(dá)所述催化元件140 的所有反應(yīng)物都被轉(zhuǎn)化，催化元件140中發(fā)出的功率增加。然而，在 一特定流下，由于質(zhì)量傳遞限制，到達(dá)表面的所有流體不能被轉(zhuǎn)化。 過量的氣流將改為冷卻所述催化元件140的表面，這將導(dǎo)致降低溫度， 以及催化元件140中化學(xué)反應(yīng)速率和能量轉(zhuǎn)換的隨之降低。過量的反 應(yīng)物將在位于下游的催化元件150中被燃燒，如果下游存在催化元件 的話。這將逐漸將反應(yīng)區(qū)向下游移動，在高負(fù)荷下，反應(yīng)區(qū)將基本位 于第二和第三催化元件150、 160處。這將減少燃料蒸發(fā)設(shè)備130的表 面溫度，使得燃料蒸發(fā)器適于燃料的持續(xù)蒸發(fā)。而且，它將減少電加 熱元件141上的熱應(yīng)力。
在空氣/燃料相對比入寬的范圍內(nèi)，催化燃燒可被維持一高效率， 并隨之產(chǎn)生低的排放。通過改變穩(wěn)定負(fù)荷下的氣流，諸如上面已描述 的，燃燒區(qū)的位置和溫度可被調(diào)整至使得對燃料蒸發(fā)設(shè)備130高效蒸 發(fā)任意燃料，產(chǎn)生合適的溫度間隔。燃燒區(qū)的位置主要被流速控制， 溫度主要由入控制。然而，傳遞到燃料蒸發(fā)設(shè)備130的熱量取決于燃 燒區(qū)的溫度和位置，燃料蒸發(fā)器130的溫度附加地取決于在蒸發(fā)過程 中傳遞到進(jìn)入的空氣的熱量以及傳遞到燃料的熱量。
在起動時，僅小的第一催化元件140以及與電加熱元件緊挨或直 接接觸的燃料蒸發(fā)設(shè)備130的部分被電加熱。燃料蒸發(fā)設(shè)備130的溫 度如此地低，使得僅蒸發(fā)了燃料的輕質(zhì)部分。因此，到達(dá)催化元件的 燃料蒸汽將初始地主要包含輕質(zhì)燃料部分，這使得能夠在第一催化元 件140內(nèi)實現(xiàn)快速且低排放量的點燃。在點燃之后，燃料蒸發(fā)設(shè)備130 中的溫度迅速增加，使得能夠蒸發(fā)所述燃料的更重的部分，并隨后實 現(xiàn)在催化元件140中的燃燒。該過程以最小電能消耗，利用完全蒸發(fā) 的燃料產(chǎn)生了快速且干凈的起動。而且，由于完全的燃料蒸發(fā)，限制
17了催化劑的熱降解的風(fēng)險。
上述控制燃料蒸發(fā)設(shè)備130的溫度的技術(shù)，使加熱設(shè)備具有顯著 的多燃料能力，因為蒸發(fā)溫度可被調(diào)整為適合于具有不同蒸發(fā)熱量和 不同蒸發(fā)溫度的燃料?；谑褂玫氖窃鯓拥娜剂弦灰痪徒o定功率下的 空氣/燃料比等方面而言一一加熱設(shè)備可具有不同設(shè)置。
如果空氣/燃料比存在大的空間變化，這會導(dǎo)致熱點，該熱點進(jìn)而 導(dǎo)致催化元件的熱降解。該問題可通過充分混合催化元件的上游而加 以避免，例如，通過如上所述形成具有強(qiáng)旋轉(zhuǎn)分量的速度場。而且， 強(qiáng)旋轉(zhuǎn)分量，在空氣/燃料混合物進(jìn)入第一催化元件的位置處，產(chǎn)生了 增加的局部速度，導(dǎo)致基本提高的質(zhì)量傳遞率以及對催化劑表面的非 常高效的利用。
催化加熱設(shè)備的典型優(yōu)點是，它們的未燃烴類和一氧化碳的排放 量低一一這是由小的空氣/燃料比下的相對高的反應(yīng)率引起的；以及氮 氧化物的排放量低一一這是由于燃燒溫度低，該燃燒溫度明顯低于 Zeldovich;^制開始對NOx的形成有顯著影響時的溫度，所述溫度通 常為1700K。催化元件的高反應(yīng)率和熱慣性也使得，相比于類似狀態(tài) 下的火焰，稀薄運(yùn)行狀態(tài)下的燃燒更加穩(wěn)定。這進(jìn)一步形成了高安全 性、可控性以及對于快速壓力/流體波動的不敏感性。
通過如上給出的本發(fā)明，相當(dāng)程度地克服了現(xiàn)有技術(shù)催化加熱設(shè) 備的缺點。
本發(fā)明可被用于許多希望實現(xiàn)多燃料催化燃燒的不同應(yīng)用中，所 述不同應(yīng)用諸如在車輛加熱器、熱動力水箱和空調(diào)、熱電發(fā)電機(jī)、烘 箱、廚灶、排氣凈化系統(tǒng)的加熱裝置、在小型燃?xì)廨啓C(jī)以及斯特林發(fā) 動機(jī)等。
盡管已通過詳細(xì)實例描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易 見的是，可進(jìn)行修改而不偏離隨附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的燃料注入和混合過程提供了完全燃料蒸發(fā)而不累積 重質(zhì)烴類殘留物、近乎完美的燃料分布，以及非常低燃料壓力下燃料 -空氣的混合，并且不將空氣預(yù)加熱(沒有熱交換器)。燃料滴在燃料 蒸發(fā)器的被加熱周緣壁上的碰撞和撞擊，有效地防止了所述燃料滴繼 續(xù)流向催化元件。借助于將液滴推向周圍的流體中的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)分量，以其沖所述燃料液滴尺寸大到足以防止液滴隨著空氣流中的軸向分量朝
催化元件行進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒液體燃料的加熱設(shè)備(100)，所述設(shè)備包括至少一個催化元件(140)，該催化元件用于催化燃燒燃料和空氣的混合物；燃料供給裝置(133)，其被布置在所述第一催化元件(140)的上游側(cè)；空氣供給裝置(132)，其被布置在所述至少一個催化元件(140)的上游側(cè)；燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)，其具有大致軸對稱形狀，并且具有上游端和下游端，在運(yùn)行過程中，所述燃料蒸發(fā)設(shè)備通過所述至少一個催化元件(140)被加熱，并且通過燃料供給裝置(133)和空氣供給裝置(132)供給燃料和空氣；外殼(110)，用于容納所述催化元件(140)和所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)；其特征在于，所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)在其基本上游端被提供有至少一個內(nèi)部入口管(132，132b)，所述管(132，132b)被布置為將燃料和/或空氣沿切線方向注入所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)的基本上游部分，使得在其中獲得旋轉(zhuǎn)流；并且其中，所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)的基本上游端被布置在所述至少一個催化元件(140)的附近。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的加熱設(shè)備(IOO)，其中在所述燃料蒸發(fā)設(shè)備 的下游端處的燃料和空氣流體離開燃料蒸發(fā)設(shè)備，然后沿相反方向流 動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的加熱設(shè)備，其中內(nèi)壁(120)被布置在外殼 (IIO)的內(nèi)側(cè)，并且在其上端聯(lián)接至外殼(110)，使得在它們之間形成一外部入口室(OIC),其中所述外部入口室進(jìn)一步被提供有外部入 口管(112)，該外部入口管連接至外部入口室(OIC)的上游部分用以 傳送更多空氣，并且其中外部入口管(112)被布置為將空氣流導(dǎo)入外 部入口室(OIC)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的加熱設(shè)備(100)，其中所述外部入口管(112 ) 被布置為導(dǎo)向空氣流，從而獲得切向流分量。
5. 根據(jù)任一上述權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100),其中所述燃料蒸發(fā) 設(shè)備(130)的上游部分具有大于其下游部分直徑的更大直徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3~5中任一權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100)，其中 內(nèi)壁(120)具有向下突出的平截頭體形狀。
7. 根據(jù)任一上述權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100)，其中燃料蒸發(fā)設(shè)備 (130)的上部至少穿過所述至少一個催化元件(140)。
8. 根據(jù)任一上述權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100)，其中第二內(nèi)部入口 管(132b)連接至所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130),用以沿切線方向?qū)蛞?空氣和/或燃料流，從而對其中的燃料和空氣引起更加強(qiáng)大且更加對稱 的"旋流"。
9. 根據(jù)任一上述權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100),其中電加熱元件 (141)被提供為在所述至少一個催化元件(140 )和/或所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)的附近，或者與所述至少一個催化元件(140)和/或所述 燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)相接觸。
10. —種包括根據(jù)任一上述權(quán)利要求的加熱設(shè)備(100)的爐子。
全文摘要
一種用于燃燒液體燃料的加熱設(shè)備(100)，所述設(shè)備包括至少一個催化元件(140)，該催化元件用于催化燃燒燃料和空氣的混合物；燃料供給裝置(133)，其被布置在所述第一催化元件(140)的上游側(cè)；空氣供給裝置(132)，其被布置在所述至少一個催化元件(140)的上游側(cè)。燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)具有大致軸對稱形狀，并且具有上游端和下游端。在運(yùn)行過程中，所述燃料蒸發(fā)設(shè)備通過所述至少一個催化元件(140)被加熱，并且被從燃料供給裝置(133)和空氣供給裝置(132)中供給燃料和空氣。所述加熱設(shè)備還包括一外殼(110)，用于容納所述催化元件(140)和所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)。所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)在其基本上游端被提供有至少一個內(nèi)部入口管(132，132b)。所述管(132，132b)被布置為將燃料和/或空氣沿切線方向注入所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)的基本上游部分，使得在其中獲得旋轉(zhuǎn)流。而且，所述燃料蒸發(fā)設(shè)備(130)的基本上游端被布置在所述至少一個催化元件(140)的附近。
文檔編號F23C13/00GK101622496SQ200880006551
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
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